散热设计（Thermal）方法 · 检查清单

发热器件分类

• 高功耗（5–50W）：功率半导体 MOS/IGBT、DC-DC、CPU/FPGA、射频功放 → 散热重点
• 中功耗（0.5–5W）：运放、传感器、中功率电阻 → 局部散热
• 低功耗（<0.5W）：逻辑芯片、无源件 → 无需特殊处理

功耗估算

• 数据手册查 Pd / 最大功耗；公式 P = V×I×(1−η)
• 实测反推：P = (T表面 − T环境) / (RθJC + RθCA)
• 结温 Tj 是核心限制（多数 <125℃），温度每升 10℃ 寿命约减半

热传导（Conduction）

• 芯片 → 焊盘 → PCB 铜箔 → 过孔 → 内层 → 散热片/外壳
• 铜导热 380W/m·K、铝 230；封装 RθJC：TO-220≈3℃/W，SOP-8≈50℃/W

热对流（Convection）

• 自然对流 RθJA 约 20–50℃/W；强制风冷可降至 5–15℃/W
• 鳍片/风道方向与气流一致，避免回流与死区

热辐射（Radiation）

• 表面黑化/阳极氧化可提高辐射率 ε，增强散热
• 散热开孔需兼顾 EMC 屏蔽要求

铜箔设计

• 发热器件下方铺完整连续铜箔，面积 ≥ 封装 5 倍
• 优先 2oz/3oz 铜厚（比 1oz 导热提升 100–200%）
• 网格铜散热比实心低 30–50%，仅在控阻抗/重量时用
• 多点接 GND 平面扩大散热面，但防地环路（可用 0Ω 单点连接）
• 高发热件与敏感件间设 1–2mm 无铜热隔离带

热过孔 Thermal Via

• 孔径 0.3–0.5mm 最佳；数量 ≈ 功耗(W) × 2–3，梅花形分布
• 5W 自然对流约需 25 个 0.4mm 过孔；过孔间距 = 孔径 2–3 倍
• 大铜箔用全连接导热最优；中小用十字连接兼顾焊接
• 高功率可填充银基导电胶（导热提升 300%，成本 +20%）

散热片类型

• 被动：铝鳍片（5–10W，热阻 2–10℃/W）、铜片（10–20W）、带胶片（<5W）
• 主动：风扇+片（20W+，0.5–3℃/W）、热管（0.8–2℃/W，远离热源场景）

选型三步法

• 算所需热阻：Rθ片 ≤ (Tj_max − Ta)/P − Rθ其他
• 匹配尺寸与安装（高度留 5–10mm 间隙，卡扣/螺丝/背胶）
• 优化接触热阻：涂导热硅脂（20–50μm）或导热垫（Shore 30–50），接触热阻 <0.5℃/W

功率分档建议

热仿真

• 热阻串联法：Tj = Ta + P×(RθJC+RθCP+RθPCB+Rθ片+Rθ环境)，误差 ±20% 快速评估
• 专业工具：ANSYS Icepak / Flotherm，精度 ±5%，与 CAD 联动
• 忽略 <1mm 小元件，重点仿真 Top 5 热源，环境取极端值（40℃）

测试验证

• 红外热像仪（≥640×512）看热分布，热点与仿真比对
• 热电偶测关键点温度，确认结温留 10–20℃ 余量
• 检查温度梯度：同模块温差 <15℃，避免焊点热应力开裂
• 不同方案对比（有无散热片/过孔数）选性价比最优